基于單載波頻域均衡系統(tǒng)的寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：單載波頻域均衡(SC-FDE)是數(shù)字通信中克服多徑衰落的有效技術(shù)。寬帶通信系統(tǒng)中應(yīng)用單載波頻域均衡系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)137.5 MHz 載波下27.5 Mbps 的碼元傳輸速率。同時在系統(tǒng)中添加1/2 碼率卷積碼與(239,223)里德-所羅門(RS)碼的級聯(lián)信道糾錯編碼，提高系統(tǒng)的可靠性。完成單載波頻域均衡系統(tǒng)設(shè)計，分析設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最終在現(xiàn)場可編程門陣列硬件平臺上進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)、調(diào)試和驗證，完成系統(tǒng)實際誤碼率的測試。
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在現(xiàn)代無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號的傳輸從窄帶變?yōu)閷拵?，而寬?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1252/" target="_blank">無線通信的信道是頻率選擇性衰落的多徑信道。多徑效應(yīng)引起的時延擴展導(dǎo)致嚴(yán)重的符號間干擾(Inter Symbol Interference，ISI)，嚴(yán)重影響通信的可靠性，因此需要采用一種有效的方法抵抗信道的影響[1]。目前提出的方法主要有：單載波時域均衡(Single Carrier Time Domain Equalization，SC-TDE)、單載波頻域均衡(Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE)和正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)。SC-TDE 在接收端采用一個自適應(yīng)均衡器來補償符號間干擾[2]。它的主要部件就是一個或多個橫向濾波器，而橫向濾波器抽頭系數(shù)的數(shù)目由多徑時延來確定。在高速無線通信系統(tǒng)中較大的時延會導(dǎo)致復(fù)雜度很高。3GPP(3rd Generation Partnership Project)的長期演進(jìn)計劃中，提出了上行采用單載波技術(shù)，下行采用OFDM 技術(shù)的方案。

OFDM 系統(tǒng)在發(fā)射端通過快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)將數(shù)據(jù)符號并行調(diào)制到正交的子載波上，克服了頻率選擇性衰落造成的影響，在頻域?qū)崿F(xiàn)均衡。其頻譜利用率高，系統(tǒng)復(fù)雜度較低(與信道最大時延擴展的對數(shù)成正比)，但是它對定時誤差和載波同步敏感，且每個OFDM 符號的多路子載波在時域疊加會產(chǎn)生很大的峰值平均功率比，因而對射頻前端的要求較高。SC-FDE 技術(shù)綜合了OFDM 技術(shù)和單載波傳輸?shù)膬?yōu)點[3-5]，同時文獻(xiàn)[6]分析指出對于一般的SC-FDE 和OFDM 系統(tǒng)，在低信噪比下OFDM 系統(tǒng)的誤碼性能略優(yōu)于SC-FDE 系統(tǒng)，而在高信噪比下，SC-FDE 系統(tǒng)要優(yōu)于OFDM 系統(tǒng)。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)137.5 MHz 載波下的27.5 Mbps 碼元傳輸速率，實現(xiàn)了寬帶SC-FDE 系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 SC-FDE 系統(tǒng)模型

在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，接收機主要由A/D 變換、混頻濾波、信道估計、信道均衡等模塊組成[7-8]。本文在單載波頻域均衡傳輸系統(tǒng)中添加了信道編譯碼模塊，以獲得更好的誤碼率性能。系統(tǒng)采用的是1/2 碼率的卷積碼和RS 碼級聯(lián)的方案。為提高系統(tǒng)的傳輸速率，使用了正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)的調(diào)制方式，系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 SC-FDE 系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

單載波頻域均衡系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)是基于獨特字(Unique Word，UW)的幀結(jié)構(gòu)，接收端使用UW 完成幀同步、信道估計、循環(huán)前綴的功能。而作為UW 的序列應(yīng)該滿足在時域上和頻域上均具有較小的起伏。常用的UW 字有Newsman 序列、Frank-Zadoff 序列等。本文使用的是偽疊加序列(Zadoff-Chu)序列，其定義為：

式中：N 表示序列長度；r 是與N 互質(zhì)的正整數(shù)；q 取任意值。

Zadoff-Chu 序列的算法在各種信道環(huán)境下的性能都很優(yōu)越，Zadoff-Chu 序列具有良好的周期自相關(guān)和互相關(guān)特性，其幅值恒定，并且具有傅里葉變換保持特性。

系統(tǒng)傳輸幀由2 個完全相同的64 位Zadoff-Chu 序列和1 920 個數(shù)據(jù)位構(gòu)成，見圖2。每一幀起始位置的2 段Zadoff-Chu序列用來充當(dāng)循環(huán)前綴，完成幀同步、信道估計、噪聲估計等功能。數(shù)據(jù)幀連續(xù)傳輸[9]。

圖2 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

圖3 三態(tài)同步圖示

2 寬帶單載波頻域均衡系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)

2.1 幀同步與頻偏估計

本設(shè)計利用UW 完成幀同步，對接收到的每一幀頭部的2 段64 位Zadoff-Chu 序列與本地的Zadoff-Chu 序列做相關(guān)運算，由于序列自相關(guān)特性，會得到一對相關(guān)峰(理想情況)或一對主峰和若干對副峰(存在多徑)。根據(jù)相關(guān)峰完成峰值搜索，最終完成信號幀同步[10]。

幀同步采用有限狀態(tài)機設(shè)計完成。狀態(tài)機的實現(xiàn)采用了基于搜索態(tài)-同步態(tài)-保護態(tài)的三態(tài)同步機制，見圖3。